CN110687932A - 一种空间光学遥感器次镜在轨调整方法和一种空间光学遥感器 - Google Patents

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Abstract

一种空间光学遥感器次镜在轨调整方法，包括以下步骤：待空间光学遥感器发射至轨道后，检测空间光学遥感器的成像结果；分析成像结果，得出空间光学遥感器的波像差；判断空间光学遥感器的波像差是否满足需求；若否，在将空间光学遥感器的波像差进行光学解算后，根据光学解算的结果进行次镜的位置和姿态的在轨调整，直至空间光学遥感器的波像差满足需求；若是，则次镜的位置和姿态调整结束。上述空间光学遥感器次镜在轨调整方法，分析空间光学遥感器的成像结果后，进行次镜的位置和姿态的在轨调整，可以有效补偿光学系统中各光学元件的位姿误差，可以有效改善大口径长焦距离轴三反光学系统的在轨成像性能。此外，还提供一种空间光学遥感器。

Description

一种空间光学遥感器次镜在轨调整方法和一种空间光学遥 感器
技术领域
本发明涉及光学设备技术领域，尤其涉及一种空间光学遥感器次镜在轨调整方法和一种空间光学遥感器。
背景技术
空间光学遥感器目前已广泛应用于地球资源普查、地形测绘、海洋研究、气象预报等多个领域。随着空间遥感技术的不断发展，对空间光学遥感器的分辨率要求越来越高，光学系统的焦距和口径需要设计的越来越大，大口径和长焦距已经成为当前空间光学遥感领域的主要发展方向。
随着空间光学遥感器的口径和焦距不断增大，其尺寸和重量也急剧增加，空间光学遥感器在地面装调和检测时，由于重力影响无法完全消除，会使大尺寸反射镜及其支撑结构发生一定的重力变形，引起反射镜的面形误差和位姿误差，也会使遥感器的轻量化机身发生一定的重力变形，导致遥感器光学系统在地面装调和检测到最优状态时，各反射镜实际上已经包含了重力变形引入的面形误差和位姿误差。空间光学遥感器发射入轨后工作在空间微重力环境中，空间光学遥感器在地面装调时引入的重力变形会发生回弹释放，导致空间光学遥感器中各反射镜产生一定的面形精度误差和位姿误差，使得光学系统产生一定的波像差，从而影响空间光学遥感器的在轨成像质量。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种可以有效改善在轨成像质量的一种空间光学遥感器次镜在轨调整方法和一种空间光学遥感器。
一种空间光学遥感器次镜在轨调整方法，包括以下步骤：
待空间光学遥感器发射至轨道后，检测所述空间光学遥感器的成像结果；
分析所述成像结果，得出所述空间光学遥感器的波像差；
判断所述空间光学遥感器的波像差是否满足需求；
若否，在将所述空间光学遥感器的波像差进行光学解算后，根据光学解算的结果进行次镜的位置和姿态的在轨调整，直至所述空间光学遥感器的波像差满足需求；
若是，则所述次镜的位置和姿态调整结束。
采用上述空间光学遥感器次镜在轨调整方法，待空间光学遥感器发射至轨道后，分析空间光学遥感器的成像结果可以得出空间光学遥感器的波像差，光学解算后进行次镜的位置和姿态的在轨调整，可以有效补偿光学系统中各光学元件的位姿误差，从而使空间光学遥感器的波像差满足需求，可以有效改善大口径长焦距离轴三反光学系统的在轨成像性能。
在一个实施例中，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，根据所述空间光学遥感器的所述次镜的位置和姿态的允差来确定调整精度。
在一个实施例中，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，所述次镜沿X方向的直线运动精度小于等于0.003mm；所述次镜沿Y方向的直线运动精度小于等于0.003mm；所述次镜沿Z方向的直线运动精度小于等于0.01mm。
在一个实施例中，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，所述次镜绕X方向的转角精度小于等于1″；所述次镜绕Y方向的转角精度小于等于1″；所述次镜绕Z方向的转角精度小于等于1.5″。
在一个实施例中，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，根据所述次镜对主镜和三镜的位姿误差补偿所需的调整量，确定所述次镜的调整范围。
在一个实施例中，所述次镜沿X方向、Y方向和Z方向的平移运动行程需要根据所述次镜对所述主镜和所述三镜的位姿误差补偿所需的调整量来确定。
在一个实施例中，所述次镜绕X方向、Y方向和Z方向的转角运动行程需要满足所述次镜对所述主镜和所述三镜的转角误差补偿的要求。
在一个实施例中，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，对所述次镜进行沿X方向、Y方向和Z方向的平移运动和绕X方向、Y方向和Z方向的转角运动的六自由度运动调整。
一种空间光学遥感器，包括主镜、次镜和三镜；
所述主镜和所述三镜设于同一个主承力框架上；
所述次镜设于所述主镜和所述三镜的反射光路上，所述次镜设于调整机构上，所述调整机构驱动所述次镜进行位置和姿态的调整；
所述光线入射至所述主镜，经所述主镜反射至所述次镜，再经所述次镜反射至所述三镜。
上述空间光学遥感器，将主镜和三镜布置在同一个主承力框架上，装调时通过光学检测手段保证主镜和三镜的位姿准确。在地面装调时通过光学检测手段将次镜装调到最佳位姿，发射入轨后根据空间光学遥感器的成像结果判断次镜需要的调整量，通过次镜的调整机构实现次镜位姿的精密调整，可以有效补偿空间光学遥感器的光学系统因重力变形回弹释放引起的波像差，从而提高空间光学遥感器的成像质量。
在一个实施例中，所述调整机构驱动所述次镜进行六自由度运动进行位置和姿态的调整。
附图说明
图1为一实施方式的空间光学遥感器的TMA离轴三反式光学系统的示意图；
图2为一实施方式的便于采用空间光学遥感器次镜在轨调整方法的空间光学遥感器的光学系统的示意图；
图3为空间光学遥感器次镜在轨调整方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。
如图1所示空间光学遥感器为某大口径长焦距离轴三反式空间光学遥感器。该空间光学遥感器采用TMA离轴三反式光学系统，包括主镜10、次镜20和三镜30。其中，光线入射至主镜10，经主镜10反射至次镜20，再经次镜20反射至三镜30，经三镜30反射至像面60。
如图2所示，提供一实施方式的可以采用空间光学遥感器次镜在轨调整方法进行次镜位姿调整的空间光学遥感器，包括主镜10、次镜20和三镜30。
主镜10和三镜30设于同一个主承力框架40上。
次镜20设于主镜10和三镜30的反射光路上，次镜20设于调整机构50上，调整机构50驱动次镜20进行位置和姿态的调整。
光线入射至主镜10，经主镜10反射至次镜20，再经次镜20反射至三镜30。经三镜30反射至像面60。
上述空间光学遥感器，将主镜10和三镜30布置在同一个主承力框架40上，装调时通过光学检测手段保证主镜10和三镜30的位姿准确。在地面装调时通过光学检测手段将次镜20装调到最佳位姿，发射入轨后根据空间光学遥感器的成像结果判断次镜20需要的调整量，通过次镜20的调整机构50实现次镜20位姿的精密调整，可以有效补偿空间光学遥感器的光学系统因重力变形回弹释放引起的波像差，从而提高空间光学遥感器的成像质量。
在一个实施例中，调整机构50驱动次镜20进行六自由度运动进行位置和姿态的调整。调整机构50驱动次镜20进行六自由度的姿态调整，次镜20的位置调整更为精确。
针对该光学系统进行设计优化，通过光学设计仿真可以得出系统中各光学元件的位置和姿态允差分配如表1所列。
表1光学系统中各光学元件的位姿允差
Figure BDA0002236976900000041
Figure BDA0002236976900000051
在空间光学遥感器为光机结构设计时，各反射镜需要通过设计柔性支撑结构来保证面形精度，各反射镜之间通过空间光学遥感器机身来保证相对位置关系，柔性支撑结构和轻量化机身在重力作用下会发生一定的变形。该空间光学遥感器光学系统中主镜10的口径最大，由于系统焦距长，主镜10与次镜20之间的间距也很大，经过仿真分析，在地面重力作用下，各反射镜支撑结构的变形量和遥感器机身的变形量叠加后，就已经超出了光学设计要求的光学元件位姿允差范围，因此必须考虑地面装调重力环境与在轨工作微重力环境变化对空间光学遥感器在轨实际成像性能的影响。
由于离轴三反光学系统中都是反射镜，各反射镜可以在背部设置调整装置来实现位姿调整。该光学系统中主镜10的口径和质量最大，受重力影响最大，主镜10本身的光学加工和支撑难度也最大，在地面装调时其面形精度对重力的倾角变化非常敏感，光学系统中主镜10的位姿允差也最为严格，因此在光机结构设计和地面装调时应以主镜10作为系统的位置基准，一般将主镜10与遥感器机身固连，并以主镜10为基准进行装调。装调时通过其他办法尽量减小重力对主镜10的影响，保证主镜10位姿引入的重力变形尽可能小，发射入轨后主镜10在空间微重力环境下发生重力变形释放导致的面形和位姿变化误差需要通过其他光学元件的位姿调整来进行补偿。
光学系统中还有次镜20和三镜30可以作为调整光学元件，通过上表1中给出的各光学元件的位姿允差分配可以看出，次镜20的位姿精度要求比三镜30更为严格，即次镜20的位姿误差对光学系统性能的影响更大，因此次镜20更适合作为调整元件。
另外，在大口径离轴三反式光学系统中，主镜10和三镜30的口径和重量一般都相对较大，而次镜20的口径和重量较小，将其作为调整环节不仅可以有效降低调整机构的负载和功耗，而且可以使调整机构小巧紧凑，从而有效减小空间光学遥感器的重量和功耗。
因此，如图3所示，还提供一实施方式的上述空间光学遥感器的次镜在轨调整方法，包括以下步骤：
S10、待空间光学遥感器发射至轨道后，检测空间光学遥感器的成像结果。
S20、分析成像结果，得出空间光学遥感器的波像差。
S20中，具体的，通过空间光学遥感器的成像结果分析，可以得到空间光学遥感器的光学系统存在的波像差的类型和大小。
S30、判断空间光学遥感器的波像差是否满足需求。
S40、若否，在将空间光学遥感器的波像差进行光学解算后，根据光学解算的结果进行次镜的位置和姿态的在轨调整，直至空间光学遥感器的波像差满足需求。
其中，在进行次镜20的位置和姿态的在轨调整的操作中，根据空间光学遥感器的次镜20的位置和姿态的允差来确定调整精度。根据次镜20对主镜10和三镜30的位姿误差补偿所需的调整量，确定其调整范围。即在具体的次镜20调整方案设计时，还需要通过光学设计和仿真分析来确定次镜20调整机构的调整精度和调整行程。
在一个实施例中，次镜20在X方向、Y方向、Z方向的偏离允差分别为小于0.03mm、0.03mm和0.1mm，考虑留一定的设计余量，因此，在进行次镜20的位置和姿态的在轨调整的操作中，次镜20沿X方向的直线运动精度应小于等于0.003mm；次镜20沿Y方向的直线运动精度应小于等于0.003mm；次镜20沿Z方向的直线运动精度应小于等于0.01mm。次镜20沿X方向、Y方向和Z方向的平移运动行程需要根据次镜20对主镜10和三镜30的位姿误差补偿所需的调整量来确定。
在一个实施例中，次镜20绕X方向、Y方向、Z方向的转角允差分别为小于4″、4″和6″，因此，在进行次镜20的位置和姿态的在轨调整的操作中，次镜20绕X方向的转角精度应小于等于1″；次镜20绕Y方向的转角精度应小于等于1″；次镜20绕Z方向的转角精度应小于等于1.5″。次镜20绕X方向、Y方向和Z方向的转角运动行程需要满足次镜20对主镜10和三镜30的转角误差补偿的要求。
在一个实施例中，次镜20的位置和姿态的在轨调整的操作中，对次镜20进行沿X方向、Y方向和Z方向的平移运动和绕X方向、Y方向和Z方向的转角运动的六自由度运动调整。
S50、若是，则次镜的位置和姿态调整结束。
采用上述空间光学遥感器次镜在轨调整方法对次镜20进行位姿调整，通过光学设计和分析可以得出，次镜20作为主镜10和三镜30之间的中间光学元件，将其设置为调整环节，单独对其进行位姿调整，可以有效补偿甚至消除主镜10和三镜30的位姿误差，仿真分析结果如表2所列。从仿真结果可以看出，通过次镜20的位姿调整对主镜10和三镜30的位姿误差进行补偿，在效果最好时可以使光学系统的MTF提升了30倍，因此采用上述空间光学遥感器次镜在轨调整方法对空间光学遥感器成像性能的改善效果非常明显。
表2次镜调整实现主镜和三镜位姿误差补偿的仿真结果
Figure BDA0002236976900000071
在地面完成空间光学遥感器光学系统的高精度装调，通过光学检测确保系统的性能满足设计指标要求，空间光学遥感器发射入轨后光机结构不可避免地发生重力变形回弹释放，导致空间光学遥感器的光学系统各光学元件产生一定的位姿误差，使光学系统产生一定的波像差。因此，通过采用上述空间光学遥感器次镜在轨调整方法，待空间光学遥感器发射至轨道后，分析空间光学遥感器的成像结果可以得出空间光学遥感器的波像差，光学解算后进行次镜20的位置和姿态的在轨调整，可以有效补偿光学系统中各光学元件的位姿误差，从而使空间光学遥感器的波像差满足需求，可以有效改善大口径长焦距离轴三反光学系统的在轨成像性能。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空间光学遥感器次镜在轨调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
待空间光学遥感器发射至轨道后，检测所述空间光学遥感器的成像结果；
分析所述成像结果，得出所述空间光学遥感器的波像差；
判断所述空间光学遥感器的波像差是否满足需求；
若否，在将所述空间光学遥感器的波像差进行光学解算后，根据光学解算的结果进行次镜的位置和姿态的在轨调整，直至所述空间光学遥感器的波像差满足需求；
若是，则所述次镜的位置和姿态调整结束。
2.如权利要求1所述的空间光学遥感器次镜在轨调整方法，其特征在于，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，根据所述空间光学遥感器的所述次镜的位置和姿态的允差来确定调整精度。
3.如权利要求2所述的空间光学遥感器次镜在轨调整方法，其特征在于，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，所述次镜沿X方向的直线运动精度小于等于0.003mm；所述次镜沿Y方向的直线运动精度小于等于0.003mm；所述次镜沿Z方向的直线运动精度小于等于0.01mm。
4.如权利要求2所述的空间光学遥感器次镜在轨调整方法，其特征在于，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，所述次镜绕X方向的转角精度小于等于1″；所述次镜绕Y方向的转角精度小于等于1″；所述次镜绕Z方向的转角精度小于等于1.5″。
5.如权利要求1所述的空间光学遥感器次镜在轨调整方法，其特征在于，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，根据所述次镜对主镜和三镜的位姿误差补偿所需的调整量，确定所述次镜的调整范围。
6.如权利要求5所述的空间光学遥感器次镜在轨调整方法，其特征在于，所述次镜沿X方向、Y方向和Z方向的平移运动行程需要根据所述次镜对所述主镜和所述三镜的位姿误差补偿所需的调整量来确定。
7.如权利要求5所述的空间光学遥感器次镜在轨调整方法，其特征在于，所述次镜绕X方向、Y方向和Z方向的转角运动行程需要满足所述次镜对所述主镜和所述三镜的转角误差补偿的要求。
8.如权利要求1所述的空间光学遥感器次镜在轨调整方法，其特征在于，所述次镜的位置和姿态的在轨调整的操作中，对所述次镜进行沿X方向、Y方向和Z方向的平移运动和绕X方向、Y方向和Z方向的转角运动的六自由度运动调整。
9.一种空间光学遥感器，其特征在于，包括主镜、次镜和三镜；
所述主镜和所述三镜设于同一个主承力框架上；
所述次镜设于所述主镜和所述三镜的反射光路上，所述次镜设于调整机构上，所述调整机构驱动所述次镜进行位置和姿态的调整；
所述光线入射至所述主镜，经所述主镜反射至所述次镜，再经所述次镜反射至所述三镜。
10.如权利要求9所述的空间光学遥感器，其特征在于，所述调整机构驱动所述次镜进行六自由度运动进行位置和姿态的调整。
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